半導體激光器的主要性能

關于半導體激光器的主要性能第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5半導體激光器的主要性能1、閾值特性2、效率3、空間模式4、縱模5、線寬6、

動態(tài)特性7、

熱特性8、

可靠性第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.1閾值特性閾值是所有激光器的屬性，標志著增益和損耗的平衡點。閾值常用電流密度Jth或者電流Ith表示。影響激光器閾值特性的主要因素：

1）器件結構

2）有源區(qū)材料

3）器件工作溫度1）器件結構的影響

不同的器件結構閾值電流有很大不同。有源區(qū)的材料必須選用直接帶隙材料，材料的組分變化將會引起直接帶隙和間接帶隙躍遷的比率發(fā)生變化，從而改變輻射頻率的波長。故：可通過薄膜生長工藝獲得不同的有源材料。2）有源層材料的影響第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日3）溫度的影響溫度變化對閾值電流產生明顯的影響，溫度升高，閾值電流增大，增大幅度因材料體系和器件結構而異。實驗經驗公式為：

Jth(T)=Jth

(Tr)exp((T-Tt)/T0)Jth(T)、Jth(Tr)

分別為在某一溫度T和室溫Tr

下所測得閾值電流密度，T0是一個由實驗擬合的參數，稱為特征溫度。且：當To∞時，閾值電流將不隨溫度變化，故提高To是一個重要研究內容。閾值電流對溫度的依賴關系主要來自于下列因素：

1）增益系數；

2）載流子的俄歇復合，載流子的界面態(tài)和表面態(tài)的復合，載流子吸 收引起的內部損耗；

3）熱載流子的漏泄。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日閾值電流的測定？測定方法有四種：1）直線擬合法2）兩段直線擬合法3）一次微分法4）二次微分法第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日描述激光器電子--光子轉換的效率，即電能轉變?yōu)楣饽艿男省７謩e用功率效率和外微分量子效率描述。1）功率效率4.5.2半導體激光器的效率第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日2）外微分量子效率而其中的定義為斜率效率：第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.3半導體激光器的空間模式分為空間模和縱模（軸模），空間模是描述圍繞著輸出光束軸線附近某處的光強分布（或空間幾何位置上的光強分布），亦稱為遠場分布。有橫模與側模之分（如下圖所示）。縱模則是一種頻譜，表示所發(fā)射的光束功率在不同頻率（波長）分量上的分布。第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日1）半導體激光器的光束發(fā)散角第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日解決辦法：利用自聚焦透鏡對出射光進行準直。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日2）半導體激光器的像散第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.4半導體激光器的縱模1）產生原因：

注：入=1.24/Eg

(2.1.1);2nL=m入

（1.4.8）第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日2）縱模模譜第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日3）影響縱模譜的因素第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日可見：電流增加，激光能量向主模轉移，峰值波長發(fā)生紅移。第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日有源層的禁帶寬度Eg隨著溫度增加而變窄，輻射波長發(fā)生紅移。故：若選頻則控制溫度，若穩(wěn)定功率輸出，則選擇恒溫控制。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4）激光器的單縱模工作條件 Po/P1sat=10log(Po/P1–1)

可以得出，激光器單縱模工作時應使Po超過P1sat至少12.8dB，此即為均勻加寬激光器中達到單縱模工作所需輸出功率的下限。第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.5半導體激光器的線寬定義：表征半導體激光器時間相干性的光譜純度，定義為光譜曲線半峰值處的全寬。一般的，在閾值以下的譜線寬度約為60nm左右，在閾值以上的譜線寬度大約在2-3nm或更小。半導體激光器的線寬比其他類別的激光器寬很多，主要原因如下：

1）LD的腔長短、腔面反射率低，因而品質因素Q值低；

2）有源區(qū)內載流子密度的變化引起的折射率變化，增加了激光輸出相

位的隨機起伏（或相位噪聲）。下面曲線給出了LD線寬與1/P之間的關系、和溫度對線寬的影響。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.6半導體激光器的動態(tài)特性第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日

的電阻<1歐），L1為引線電感（1-2nH），Cs為旁路電容（0.3-1pF）。選擇并控制Cs和L1可明顯抑制類諧振現象。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日4.5.7半導體激光器的熱特性引發(fā)機制：在半導體激光器中，由于不可避免的存在著各種非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制，使其外微分量子效率只能達到20%-30%，意味著相當部分注入的電功率轉換成了熱量，引起激光器的溫升。結果導致使LD的閾值電流增大、發(fā)射波長紅移、模式不穩(wěn)定、增加內部缺陷、并嚴重影響器件的壽命。解決辦法：

1）加風扇或者冷水循環(huán)降溫；

2）使用帕爾貼半導體制冷器。 （通過控制帕爾貼制冷器的工作電流實現LD的溫度穩(wěn)定，見下圖）第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日3.8半導體激光器的可靠性第三十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日

二、可靠性試驗為保證